Flussnahe Trinkwasserfassungen

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Regionale Wasserversorgung Basel-Landschaft 21

Flussnahe Trinkwasserfassungen

Jannis Epting und Peter Huggenberger

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Impressum

Teilprojekt 2: Flussnahe Trinkwasserfassungen Leitung:

Prof. Dr. Peter Huggenberger, Universität Basel

Dr. Dominik Bänninger, Amt für Umweltschutz und Energie Basel-Landschaft Verfasser:

Dr. Jannis Epting, Universität Basel

Prof. Dr. Peter Huggenberger, Universität Basel In Zusammenarbeit mit:

Dr. Adrian Auckenthaler, Dr. Dominik Bänninger, Dr. Michael Berg, Dr. Paul Borer, Dr. Frederik Hammes, Prof. Dr. Juliane Hollender, Dr. Rebecca Page, Dr. Dirk Radny, Dr. Judith Rothardt, Heinz Singer, Dr. Stefanie Weber

Titelbild:

Dr. Jannis Epting

Projekt Regionale Wasserversorgung Basel-Landschaft 21 Gesamtprojektleitung:

Dr. Adrian Auckenthaler, Amt für Umweltschutz und Energie Basel-Landschaft Prof. Dr. Urs von Gunten, Eawag und EPFL

Projektkoordination:

Dr. Paul Borer, Eawag Dr. Sebastian Stoll, Eawag Steuerungsgruppe:

Dr. Alberto Isenburg, Amt für Umweltschutz und Energie Basel-Landschaft Dr. Tove Larsen, Eawag

Prof. Dr. Hansruedi Siegrist, Eawag

Dr. Peter Wenk, Amt für Lebensmittelsicherheit und Veterinärwesen Begleitgruppe:

Dr. Richard Hürzeler, F. Hoffmann-La Roche AG Dr. Kurt Rüegg, Energie Wasser Luzern und SVGW Dr. Andreas Peter, Wasserversorgung Zürich Dr. Michael Schärer, Bundesamt für Umwelt

Pierre Studer, Bundesamt für Lebensmittelsicherheit und Veterinärwesen

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I

NHALTSVERZEICHNIS

1 Einleitung ... 1

2 Zielsetzungen... 2

3 Untersuchungsgebiete und -konzept ... 4

3.1 Untersuchungsgebiet Birs ...8

3.2 Untersuchungsgebiet Ergolz ...9

3.3 Untersuchungsgebiet Frenke ... 10

3.4 Untersuchungskonzept ... 11

4 Methoden ... 13

4.1 Messsysteme und Feldinstallationen ... 13

4.1.1 Untersuchungsgebiet Birs ... 15

4.1.2 Untersuchungsgebiet Ergolz ... 18

4.1.3 Untersuchungsgebiet Frenke ... 21

4.2 Feldexperimente ... 26

4.2.1 A – „Trockenwetterbelastung“ ... 26

4.2.2 B – „Ereignisbeprobung Untersuchungsgebiet Frenke“ ... 30

4.2.3 C – „Mikrobiologie Untersuchungsgebiet Frenke“ ... 30

4.2.4 D – „Tiefendifferenzierte Beprobung Untersuchungsgebiet Ergolz und Frenke“ ... 31

4.2.5 E – „Regionale Beprobung Untersuchungsgebiet Birs“ ... 32

4.2.6 F – „Ereignisbeprobung Untersuchungsgebiet Birs“ ... 34

4.2.7 G – „Ereignisbeprobung Untersuchungsgebiet Ergolz“ ... 35

4.3 mikrobiologische Wasserqualität ... 38

4.3.1 Plattierung / Kultivierung ... 38

4.3.2 Konventionelle Durchflusszytometrie (DZ) ... 38

4.3.3 Online-Durchflusszytometrie (Online-DZ) ... 39

4.3.4 Ableitung der Filterleistung ... 39

4.4 Chemische Wasserqualität ... 42

4.4.1 Hydrochemie allgemein ... 42

4.4.2 Ableitung und Evaluation Indikatorsubstanzen ... 42

4.5 Hydrogeophysik ... 48

4.6 GW-Modellierung ... 50

5 Resultate Feldexperimente ... 59

5.1 Feldexperiment A – „Trockenwetterbelastung“ ... 59

5.1.1 Mikrobiologie – Untersuchungsgebiet Birs ... 59

5.1.2 Hydrochemie allgemein – Untersuchungsgebiet Birs ... 62

5.1.3 Hydrochemie allgemein – Untersuchungsgebiet Ergolz ... 63

5.1.4 Hydrochemie allgemein – Untersuchungsgebiet Frenke ... 64

5.1.5 Spurenstoffe – Untersuchungsgebiet Birs... 65

5.1.6 Hydrochemie Spurenstoffe – Untersuchungsgebiet Ergolz ... 69

5.1.7 Spurenstoffe – Untersuchungsgebiet Frenke ... 71

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5.1.8 Spurenstoffe – Vergleich Untersuchungsgebiete ... 73

5.2 Feldexperiment B – „Ereignisbeprobung Untersuchungsgebiete Frenke“ & Feldexperiment C – „Mikrobiologie Untersuchungsgebiet Frenke“ ... 74

5.2.1 Mikrobiologie ... 74

5.2.2 Hydrochemie Allgemein ... 79

5.2.3 Spurenstoffe ... 81

5.3 Feldexperiment D – „Tiefendifferenzierte Beprobung Untersuchungsgebiete Ergolz und Frenke“ ... 84

5.4 Feldexperiment E – „Regionale Beprobung Untersuchungsgebiet Birs“ ... 85

5.5 Feldexperiment F – „ Ereignisbeprobung Untersuchungsgebiet Birs“ ... 88

5.6 Feldexperiment G – „Ereignisbeprobung Untersuchungsgebiet Ergolz“ ... 90

6 Diskussion ... 97

6.1 Zustandekommen Rohwasserqualität - Qualitative Auswirkungen der OW-GW Interaktion .... 97

6.2 Unterschiede Flussabschnitte ... 117

6.2.1 Hydrogeologie – Untersuchungsgebiet Birs ... 117

6.2.2 Hydrogeologie – Untersuchungsgebiet Ergolz ... 118

6.2.3 Hydrogeologie – Untersuchungsgebiet Frenke ... 119

6.3 Auswirkungen HW / Variabilität Zuströmbereiche ... 120

6.4 Fitlerleistung und Verdünnung ... 124

6.5 Untersuchungskonzepte OW-GW Interaktion ... 130

6.5.1 Gefährdungsabschätzung Wasserfassungen ... 130

6.5.2 Generelle Planung von Revitalisierungsmassnahmen ... 134

7 Schlussfolgerungen... 136

8 Empfehlungen ... 141

9 Referenzen ... 145

10 Anhang... 148

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A

BKÜRZUNGSVERZEICHNIS

Amt für Lebensmittelsicherheit und Veterinärwesen Basel-Landschaft (ALV BL) ARA: AbwasserReinigungsAnlage

CMT: Continuous Multichannel Tubing DPT: Direct-Push-Technologie

DZ: DurchflussZytometrie

EL: spezifische Elektrische Leitfähigkeit ERT: Electrical Resistivity Tomography GPR: Ground Penetrating Radar GW: GrundWasser

GW-M: GrundWasser-Messstelle GW-T: GrundWasser- Temperatur

HNA: High Nucleid Acid (hoher Nukleinsäuregehalt) HW: HochWasser; HochWasserereignis

LNA: Low Nucleid Acid (tiefer Nukleinsäuregehalt) NW: NiedrigWasser

MW: MittelWasser

OW: OberflächenWasser; OberflächengeWässer OW-T: OW-Temperatur

P: Pegel PW: PumpWerk RW: RohWasser

RWBL 21: Regionale Wasserversorgung Basel-Landschaft 21 T: Temperatur

TP2: TeilProjekt 2 TW: TrinkWasser TZZ: TotalZellZahlen

WWRuU: WasserWerk Reinach und Umgebung

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Einleitung

1

1 E

INLEITUNG

Aktuelle Untersuchungen an verschiedenen Oberflächengewässern (OW) in der Schweiz (z.B. Re- cord-Projekt Thur (Schirmer, 2013a), Wiese, Birs (Affolter et al., 2010), Ergolz (Huggenberger et al., 2010), Enziwigger (Huber et al., 2013), etc.) zeigen die Bedeutung, welche Austauschprozesse zwischen OW und dem Grundwasser (GW) für die GW-Neubildung und das Zustandekommen der GW- Qualität haben. Infiltrierende OW stellen in den meisten Flusstälern der Schweiz eine wesentliche Komponente der Gesamtbilanz der GW-Neubildung dar.

Bei der Infiltration von OW in den GW-Leiter sowie der Exfiltration von GW in die OW finden eine Viel- zahl instationärer physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse statt. Im GW sind z.B.

Schwankungen der spezifischen Elektrischen Leitfähigkeit (EL) und der Temperatur (T) sowie oft deut- lich tiefere Nitratkonzentrationen Hinweise auf infiltrierende OW (Auckenthaler et al., 2006). Ver- gleichsweise hohe hydraulische Leitfähigkeiten des Untergrundes entlang von OW machen flussnahe Bereiche attraktiv für die TW-Produktion. Jedoch wird das Auftreten von Mikroorganismen und der Eintrag von Spurenstoffen vermehrt als Problem wahrgenommen. Hauptquelle diffuser Mikroverunrei- nigungen ist die Landwirtschaft (Braun et al., 2015), eine weitere diffuse Quelle ist die Siedlungshydro- logie. Punktquellen umfassen Einleitungen von kommunalen (ARA und der Siedlungsentwässerung) und industriellen Abwässern.

Prozesse, welche bei der Infiltration von OW in das GW stattfinden und welche von den hydraulischen Verhältnissen, dem Verbauungsgrad von Flussufern sowie dem strukturellen Aufbau und der Durch- lässigkeit der Flusssohle abhängen, sind bisher nur vereinzelt bekannt. Neben der zeitlichen Variabili- tät der Austauschprozesse zwischen OW und dem GW variiert im Allgemeinen die Quantität und Qua- lität des OW. Die Kenntnisse dieser Variationen sind grundlegend für das Verständnis der Gefähr- dungssituation von flussnahen TW-Fassungen. Besonders betroffen sind flussnahe Pumpwerke (PW) in der Nähe von OW, welche in ihrem Einzugsgebiet Einleiter mit Gefährdungspontential aufweisen.

Revitalisierungen, landwirtschaftliche Tätigkeiten und zunehmende Urbanisierung führen im Zusam- menhang mit der Nutzung von flussnahen Wasserfassungen zu Nutzungskonflikten. Der Bund fordert mit der neuen Gewässerschutzgesetzgebung die Revitalisierung von OW. Durch die Revitalisie- rungsmassnahmen sollen wichtige Funktionen von OW wiederhergestellt werden. Gleichzeitig kann die Durchlässigkeit der Flusssohle einzelner Flussabschnitte (zeitweilig) erhöht werden, was in einer verstärkten Infiltration von OW resultieren kann und somit die Aufenthaltszeit des Wassers vom OW zur Fassung verkürzen kann. Die Qualität des geförderten TW von flussnahen Pumpwerken (PW) kann dadurch, insbesondere bei Hochwasserereignissen (HW), durch die Infiltration von belastetem (z.B. durch Mikroorganismen oder Spurenstoffe) OW qualitativ beeinträchtigt werden. Da diese Pro- zesse im Allgemeinen instationär und in ihrer Dynamik komplex sind, herrscht eine grosse Unklarheit, an welchen Standorten Revitalisierungen möglich und an welchen negative Auswirkungen für Was- serversorgungen nicht auszuschliessen sind.

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Zielsetzungen

2 Z

IELSETZUNGEN

Eine sichere Wasserversorgung und ein langfristiger Schutz von GW- und OW-Systemen sowie die Revitalisierung von OW sind Ziele der Wasserstrategie des Kantons Basel-Landschaft (BL). An Standorten, an denen Nutzungskonflikte auftreten können, sollen Grundlagen für eine Lösungsfindung erarbeitet werden. Hierbei sind insbesondere verbesserte Kenntnisse der Austauschprozesse der OW mit dem GW und der Filterwirkung des Untergrundes zwischen infiltrierenden OW und den PW von Bedeutung.

Die im Rahmen des Projekts Regionale Wasserversorgung Basel-Landschaft 21 (RWBL21) und des Teilprojekts 2 (TP2) „Flussnahe TW-Fassungen“ gewonnen Erkenntnisse sollen für kantonale, Schweizerische und auch allgemein für OW- und GW-Systeme mit ähnlichen Randbedingungen gültig und übertragbar sein. Dies betrifft vor allem auch die entwickelten Konzepte für das Vorgehen bei Untersuchungen von Prozessen der GW-OW Interaktion (Kapitel 6.5) und bei der Auswahl und Eig- nung von Leitsubstanzen zur Beurteilung von GW- und TW-Gefährdungen (Kapitel 6.5.1) sowie Pla- nung von Revitalisierungsmassnahmen (Kapitel 6.5.2).

Im Folgenden werden die für das TP2 formulierten Ziele und Inhalte der Untersuchungen aufgeführt und der Nutzen für den Kanton erläutert. Konkret sollen für die untersuchten Trinkwassergewinnungs- gebiete bzw. Grundwasserleiter bekannt sein:

• Wie sich Revitalisierungsmassnahmen auf die Qualität des gepumpten Wassers oder des aufbereiteten Trinkwassers auswirken. Dadurch wird die Durchführung von Revitalisierungen, wie im revidierten Gewässerschutzgesetz gefordert, vereinfacht.

• Wie sich Fluss-Grundwasser-Interaktionen auf die chemische und mikrobiologische Qualität des Grundwassers auswirken. Die kritischen Spurenstoffe sind bekannt und die Grundlagen für den Entscheid einer allfälligen Trinkwasseraufbereitung sind vorhanden.

• Wie sich die Qualität des Rohwassers bei unterschiedlichen natürlichen (Hochwasser) und betrieblichen Randbedingungen ändert. Damit kann das Wasserentnahmeregime der flussnahen Pumpwerke verbessert und die Trinkwassersicherheit erhöht werden.

Das TP 2 soll weiter Grundlagen und Konzepte zur Verfügung, um:

• Das Vorgehen zur Untersuchung von Auswirkungen von Revitalisierungsmassnahmen auf qualitative Veränderungen des Rohwassers für die Trinkwassernutzung zu etablieren. Damit kann der Kanton eine Gefährdungsabschätzung für verschiedene Flussabschnitte vornehmen.

• Den Kanton bei der Wahl von erforderlichen Abklärungen zur Lösungsfindung bei Nutzungs- konflikten von geplanten Revitalisierungsmassnahmen zu unterstützen.

• Den Kanton bei der Beratung von Gemeinden und Wasserversorgungen hinsichtlich der Wahl einer angepassten Trinkwasseraufbereitung für Uferfiltrate zu unterstützen.

Für die Zielerreichung mussten folgende Fragestellungen angegangen und beantwortet werden:

• Wie kommt die (mikrobiologische und chemische) Qualität des RohWassers (RW) in flussnahen PW zustande und was ist der Einfluss des regionalen GW-Fliessregimes¹?

• Wie unterscheiden sich verschiedene Flussabschnitte und GW-Systeme in Bezug auf die In- stationarität von infiltrierenden oder exfiltrierenden Verhältnissen?

• Was sind die Auswirkungen von unterschiedlichen natürlichen (HW) und betrieblichen Rand- bedingungen auf die Qualität des geförderten RW von flussnahen PW und wie variieren die Zuströmbereiche?

1Das GW-Fliessregime beschreibt die hydraulische Situation während eines bestimmten Zeitpunktes, einschliesslich GW- Gleichenverteilung, GW-Fliessgeschwindigkeiten und Zuströmbereiche eines GW-Körpers.

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Zielsetzungen

3

• Wie können die Prozesse Filterleistung (mikrobiologisch und chemisch), Abbau und Verdün- nung beschrieben werden?

Weiterhin sollten im Rahmen von TP2 Konzepte erarbeitet und Empfehlungen gegeben werden für:

• Die generelle Planung von Revitalisierungsmassnahmen, einschliesslich Empfehlungen für das Vorgehen zur Untersuchung von Auswirkungen von Revitalisierungsmassnahmen auf qualitative Veränderungen des RW für die TW-Nutzung (Gefährdungsabschätzung für verschiedene Flussabschnitte) und dem Aufzeigen von erforderlichen Abklärungen zur Lösungs- findung bei Nutzungskonflikten von geplanten Revitalisierungsmassnahmen.

• Die Wahl angepasster TW-Aufbereitung für Uferfiltrate.

Die Fragestellungen werden im Kapitel 6 „Diskussion“ wieder aufgegriffen. Für die jeweiligen Frage- stellungen werden die wesentlichen Resultate aus den einzelnen Feldexperimenten und Laboranaly- sen aufgeführt und im Zusammenhang mit den Resultaten aus den OW- und GW-Messsystemen und Erkenntnissen aus der GW-Modellierung für die verschiedenen Untersuchungsgebiete diskutiert.

Die für die Untersuchungen ausgewählten GW-Körper im Kanton BL sind vergleichbar mit vielen Flüs- sen im Schweizer Mittelland (Töss, Emme, Glatt) und Mittelgebirgsflüssen weltweit. Im folgenden Ka- pitel werden neben einer Charakterisierung der „intrinsischen“ Standortgegebenheiten (Hydrologie – Hydrogeologie – Geologie) auch die verschiedenen anthropogenen Aktivitäten der untersuchten GW- Körper erläutert. Diese „extrinsischen“ Standortgegebenheiten umfassen unter anderen die Landnut- zung (Urbanisierung und Landwirtschaft), den Einfluss von Einleitungen von AbwasserReinigungsAn- lagen (ARA) und der Siedlungsentwässerung sowie diffuse Eintragsquellen aus z.B. Leckagen von Abwasserleitungen.

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Untersuchungsgebiete und -konzept

3 U

NTERSUCHUNGSGEBIETE UND

-

KONZEPT

Im Rahmen von TP2 wurden drei Untersuchungsgebiete im Kanton BL ausgewählt. Gemeinsamkeiten als auch Unterschiede der Untersuchungsgebiete entlang der Birs, Ergolz und Frenke umfassen: (1) hydrologische, hydrogeologische als auch geologische Randbedingungen, (2) Lage der Flussab- schnitte in Zusammenhang mit urbanisierten oder auch landwirtschaftlich genutzten Flächen in den Zuströmbereichen (Nutzungsarten in den Untersuchungsgebieten selbst als auch in den jeweiligen Einzugsgebiet, vgl. Abb. 3.1), (3) GW-Nutzung in den jeweiligen Untersuchungsgebieten, sowie (4) Einfluss von Einleitungen von AbwasserReinigungsAnlagen (ARA) und der Siedlungsentwässerung oberstromig der untersuchten Flussabschnitte.

Bei vielen Flüssen im Schweizer Mittelland und auch Mittelgebirgsflüssen weltweit weisen die ausge- wählten GW-Körper vergleichbare hydraulische Durchlässigkeiten der Lockergesteinsablagerungen auf. Die untersuchten GW-Körper werden aufgrund der geologischen Standortgegebenheiten (Falten- und Tafeljura) jedoch häufig durch Felsstufen getrennt. Dadurch entsteht eine komplexe Abfolge von Flussabschnitte, in denen entweder GW-exfiltrierende oder OW-infiltrierende Prozesse dominieren.

Die Charakterisierung der untersuchten GW-Körper ermöglicht eine Analyse von „intrinsischen²“ Standortgegebenheiten. Diesen überlagert werden „extrinsische³“ Standortgegebenheiten, einschliesslich verschiedener anthropogener Aktivitäten wie Landnutzung (Urbanisierung und Landwirt- schaft), der Einfluss von Einleitungen von ARA und der Siedlungsentwässerung sowie diffuse Ein- tragsquellen wie z.B. aus Leckagen von Abwasserleitungen. Vor allem die „extrinsischen“ Standortge- gebenheiten führen schliesslich zu Belastungssituationen von OW- und GW-Systemen.

Wie viele OW im 19ten und zu Beginn des 20ten Jahrhunderts wurden die Flüsse Birs, Ergolz und Frenke durch Begradigung und Verbauungen zunehmend vom GW entkoppelt (z.B. (Bencala, 1993;

Boon et al., 2000; Brunke and Gonser, 1997; Smits et al., 2006)). Dies führte dazu, dass die natürliche Dynamik der OW in vielen fluvialen und glaziofluvialen GW-Leitern in den Alpen und dem perialpinen Gürtel Zentraleuropas stark eingeschränkt wurde. Die Durchlässigkeit der Flusssohlen und der Aus- tausch mit dem GW wurden damit vielerorts reduziert. Die Prozesse der OW-GW Interaktion spielen aber weiterhin in allen drei Untersuchungsgebieten eine wichtige Rolle für die lokalen und regionalen GW-Fliessregime. In Abhängigkeit der betrachteten Flussabschnitte unterscheidet sich der Interakti- onstyp bzgl. dominierender In- oder Exfiltrationsprozesse und dem Anschluss der OW an die jeweiligen GW-Leiter entgegen einer Infiltration über die ungesättigte Zone (Abb. 3.2). Eine Definition von Interaktionstypen auf Grundlage der hydraulischen Randbedingungen erlaubt es die verschiedenen Flussabschnitte in den Untersuchungsgebieten zu charakterisieren (Tab. 3.1). Da der Interaktionstyp bei unterschiedlichen hydrologischen Randbedingungen (OW-Pegel im Verhältnis zum GW-Spiegel) variieren kann, können in allen drei Untersuchungsgebieten und untersuchten Flussabschnitte die in Abbildung 3.2 illustrierten Interaktionstypen beobachtet werden. Tabelle 3.2 fasst die Ergebnisse und Synergien aus externen Untersuchungen zusammen, welche als Grundlage für TP2 zur Verfügung standen.

In den Untersuchungsgebieten Birs und Frenke existieren flussnahe TrinkWasser(TW)-Nutzungen während sich im Untersuchungsgebiet Ergolz das nächstgelegene PW Löli ca. 1.5 km nördlich des untersuchten Flussabschnittes befindet. Die OW weisen im Bereich von allen drei Untersuchungsge- bieten und untersuchten Flussabschnitte einen hohen Abwasseranteil auf (ARA und Mischwasserent- lastung), er beträgt für die Birs ca. 3.6 %, für die Ergolz ca. 8.7 % und für die Frenke ca. 6.1 % an der jährlichen Abflussmenge der jeweiligen OW (BAFU).

2 „dem System eigene“

3 „von aussen her“

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5 Abb. 3.1: Untersuchungsgebiete Birs, Ergolz und Frenke dargestellt zusammen mit der Oberflächentopogra- phie (DHM25; SwissTopo), den Haupt-OW, den jeweiligen oberirdischen Einzugsgebiet und der Landnutzung im Einzugsgebiet (Datengrundlage: (BAFU; BAFU; BFS; BFS)).

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Tab. 3.1 Charakterisierung und Einteilung der Flussabschnitte der drei Untersuchungsgebiete in die in Abbil- dung 3.2 dargestellten Interaktionstypen, einschliesslich einer Beschreibung „intrinsischer“ und „extrinsischer“

Standortgegebenheiten.

Interaktionstypen Standortgegeben- heiten

„intrinsisch“ „extrinsisch“

Birs

Alle vier Interaktionstypen A, B, C und D in Abhängigkeit des betrachteten Flussabschnitte und der hydraulischen Randbedingungen

Einzugsgebiet im Falten- und Tafeljura; GW- Körper, welche durch Felsstufen getrennt werden

Vergleichbare hydraulische Durchlässigkeiten der Lockergesteinsabla- gerungen

GW-Körper, welche durch regionale GW- Fliessregime, OW-GW Interaktionsprozesse und untergeordnet Hangzu- flüsse charakterisiert sind

Anthropogene Aktivitäten Begradigung und Ver- bauungen

Landnutzung (Urbanisie- rung, Landwirtschaft) Einleitungen ARA / Sied- lungsentwässerung TW-Nutzung (mit Aus- nahme Untersuchungs- gebiet Ergolz)

Brauchwassernutzung (nur Untersuchungsge- biet Ergolz)

GW-Anreicherung (südli- cher Zustrom Untersu- chungsgebiet Birs)

Ergolz

V.a. Interaktionstyp B und Infiltration über die ungesättigte Zone, während Zeiträumen mit hohem GW-Stand (z.B.

Januar 2014, Mai 2015) und grösserer HW (> 20 m³ s^-1) Übergang zu Interakti- onstyp A und Infiltration über die gesät- tigte Zone, zum Hülftenfall Übergang zu Interaktionstyp B

Frenke

Auf Höhe des PW Unterbergen Interak- tionstyp A und Infiltration über die gesät- tigte Zone. Im südlichen und nördlichen Bereich des Untersuchungsgebietes Übergang zu Interaktionstypen B und Infiltration über die ungesättigte Zone

Abb. 3.2: OW-GW Interaktionstypen (verändert nach Huggenberger et al. (1998)). (A) “Infiltration“: bei ange- schlossenen OW-GW-Systemen ist das Flussbett direkt an den GW-gesättigten Bereich des GW-Leiters ange- schlossen; (B) bei nicht angeschlossenen OW-GW-Systemen ist das Flussbett getrennt vom GW-gesättigten Bereich des GW-Leiters, OW infiltriert über die ungesättigte Zone in den GW-Leiter. (C) „Exfiltration“: Hydrauli- scher Gradient vom GW zum OW, GW exfiltriert in das OW. (D): „Durchfluss“: Flussabschnitte, welche vom GW durchflossen werden, erhalten GW vom Ufer und dem Flussbett mit dem höheren hydraulischen Gradienten und verlieren Wasser an das Ufer und im Flussbett mit dem niedrigeren hydraulischen Gradienten.

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7 Tab. 3.2: Vorarbeiten sowie Ergebnisse und Synergien aus externen Untersuchungen, welche als Grundlage für TP2 zur Verfügung standen.

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3.1 U

NTERSUCHUNGSGEBIET

B

IRS

Abb. 3.3: A: Aufschluss Uferzone entlang der Birs und Illustration der verschiedenen Lockergesteinsablagerun- gen des GW-Körpers. B: Instrumentierung E+H-Messpannel im Container am Standort „Heidebrüggli“. C: Birs bei HW im August 2007.

Das Birstal verläuft von Aesch bis Basel von Süd- in Nord-Richtung und wird im Westen durch eine tektonisch bedingte Anhöhe der Niederterrasse und im Osten durch den Anstieg zum Gempenplateau begrenzt. Die quartäre Talfüllung des Birstals besteht hauptsächlich aus Birsschottern und weist hohe hydraulische Durchlässigkeiten auf. Die Basis des GW-Trägers bilden schlechtdurchlässige tertiäre Ablagerungen der Rheingrabenmolasse (tonig-sandige Meletta-Schichten, Elsässer Molasse, Cyren- enmergel). Die Topographie der Felsoberfläche zeigt eine erosive Rinnenstruktur, wobei der Rinnen- verlauf und die Zonen maximaler GW-Mächtigkeit nicht mit dem heutigen Birslauf übereinstimmen (Spottke, 2007).

Die Birs entspringt im Kanton Bern bei Tavanne, fliesst anschliessend durch den Jura und mündet nach 75 km bei Basel in den Rhein. Das Einzugsgebiet der Birs beträgt 979 km². Im Untersuchungs- zeitraum von 2013 bis 2015 betrug der mittlere Abfluss der Birs an der Station Münchenstein-Hofmatt 16.9 m³s^-1 (BAFU-Stations-ID: 2106). Durch die Grösse des Einzugsgebiets kann die Birs in kurzer Zeit hohe Abflussspitzen erreichen. Historisch sind Abflüsse von bis zu 383 m³s^-1 (09.08.2007) dokumentiert.

Im 20. Jahrhundert wurde die Birs kanalisiert und begradigt, wobei die Begradigung die Flusslänge im Abschnitt Dornachbrugg – Münchensteiner Brücke um einen Faktor 2.5 verringerte (Salathé, 2000)⁴. Die Verkürzung der Fliessstrecke führte zu einer verstärkten Erosion der Flusssohle. Kiesinseln, Sandbänke und Auenlandschaften verschwanden. Als direkte Folge senkte sich auch der GW- Spiegel, was wiederum zu einer Verringerung des GW-Speichervolumens in der Birsebene führte.

Anforderungen einer erhöhten GW-Nutzung wurden mit einer künstlichen Wasseranreicherung aus- geglichen. Zu diesem Zweck wird seit rund 40 Jahren in Aesch das GW mit Hilfe der Versickerungsan- lage „Kuhweid“ GW künstlich angereichert.

Die untersuchten Flussabschnitte entlang der Birs (Abb. 3.1, 3.3) befindet sich südlich von Basel auf Höhe der Gemeinde Reinach in einem der wenigen noch unbebauten Gebiete der Region und umfasst das 39 ha grosse Naturschutzgebiet Reinacher Heide. Das gesamte Gebiet ist Teil der Grossag- glomeration von Basel und umfasst auf engstem Raum ein Nebeneinander von Wohn-, Gewerbe- und Industriezonen sowie Verkehrsbauten und Naherholungsgebieten. Zudem dient das Gebiet als GW- Schutz- und TW-Produktionsgebiet. Das WasserWerk Reinach und Umgebung (WWRuU) betreibt 8 PW. Durch die birsnahe Lage einzelner PW können insbesondere bei HW Belastungssituationen ent- stehen. Die im Rahmen von TP2 untersuchten PW umfassen das PW 24.A.8 („Standort A Heide- brüggli“) und PW 24.A.2 („Standort B Auwald“).

Im unmittelbaren Bereich des untersuchten Flussabschnittes sind Mischwasserentlastungen dokumentiert, während keine Einleitungen von ARAs oder Klein-ARAs existieren. Oberstromig des unter-

41891 betrug die Flusslänge von Dornachbrugg bis zur Münchensteinerbrücke 8.9 km, und 1880 nur noch 3.6 km, die Uferlänge wurde von 17.8 auf 7.2 km reduziert

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9 suchten Flussabschnittes werden das Abwasser von 2 ARAs (Zwingen und Liesberg) und 10 Klein- ARAs in OW des Birs- Einzugsgebiet eingeleitet, weiterhin existieren insgesamt 96 Mischwasserüber- läufe (98 Mischwasserüberläufe bis zur Mündung in den Rhein).

Im Vergleich zu den untersuchten Flussabschnitte entlang der Ergolz und Frenke unterscheiden sich die untersuchten Flussabschnitte „Standort Heidebrüggli“ (Standort A) und „Standort Auwald“ (Stand- ort B) an der Birs insofern, dass der Interaktionstyp in Abhängigkeit der hydraulischen Randbedingun- gen für unterschiedliche Flussabschnitts-Bereiche wechselt (Abb. 3.2 und Tab. 3.1).

3.2 U

NTERSUCHUNGSGEBIET

E

RGOLZ

Das Ergolztal verläuft von Liestal bis zur Mündung in den Rhein bei Augst von Süd- in Nord-Richtung und wird im Westen und Osten durch Anstiege zum Tafeljura begrenzt. Die quartäre Talfüllung des Ergolztals besteht hauptsächlich aus Ergolzschottern und weist hohe hydraulische Durchlässigkeiten auf. Die Basis des GW-Trägers wird aus gering durchlässigen Verwitterungslehmen und Mergeln ge- bildet. Diese werden zu grossen Teilen aus tertiären Sedimenten der oberen Meeres- und Süsswas- sermolasse aufgebaut.

Die Ergolz entspringt im Faltenjura an der Geissflue, fliesst anschliessend durch den Jura und mündet nach 28 km bei Augst in den Rhein. Das Einzugsgebiet der Ergolz beträgt 299 km². Im Untersu- chungszeitraum von 2013 bis 2015 betrug der mittlere Abfluss der Ergolz an der Station Liestal 3.6 m³ s^-1 (BAFU-Stations-ID: 2202). Im 20. Jahrhundert wurde die Ergolz kanalisiert und begradigt, wobei die Begradigung zu einer Verkürzung der Fliessstrecke und zu einer verstärkten Erosion der Flusssoh- le führte.

Der untersuchte Flussabschnitt entlang der Ergolz (Abb. 3.1, 3.4) befindet sich nördlich von Liestal auf Höhe der Gemeinden Frenkendorf und Füllinsdorf in einem intensiv durch Wohn-, Gewerbe- und In- dustriezonen sowie Verkehrsbauten genutzten Gebiet. Im Untersuchungsgebiet befinden sich keine öffentlichen PW und nur eine Brauchwassernutzung, welche das genutzte Wasser in den GW-Leiter zurückführt. Das Untersuchungsgebiet befindet sich jedoch im Zuströmbereich der ca. 1.5 km nördlich gelegenen PW Löli der Gemeinde Pratteln. Die Qualität des RW dieser PW ist sowohl vom regionalen GW-Strom des Ergolztals als auch der OW-Infiltration im untersuchten Flussabschnitt beeinflusst.

In zwei Etappen 2012 und 2014 wurden entlang des untersuchten Flussabschnittes zwei Bereiche revitalisiert. Revitalisierungsmassnahmen der Etappe 1 (April bis Juli 2012) umfassten die Ausbildung eines neuen Seitenarms und jene der Etappe 2 die Aufweitung und Anhebung der Ergolzsohle (Juli bis Oktober 2013). Etappe 2 fällt somit in den Untersuchungszeitraum von TP2.

Im südlichen Bereich des Untersuchungsgebietes liegt die ARA Ergolz 2 (mechanische und biologi- sche Reinigungsstufen), welche neben der Siedlungsentwässerung der Gemeinden auch das Sicker- wasser der Deponien Lindenstock und Elbisgraben behandelt. Seit April 2002 wird das gereinigte Abwasser nicht mehr direkt auf Höhe der ARA sondern unterhalb des Hülftenfalls eingeleitet (unter- stromig des Untersuchungsstandortes).

Abb.3.4: A: DPT-Sondierung zur Erstellung neuer GW-Messstellen. B: Revitalisierter Abschnitt (Etappe 1) ent- lang der Ergolz und Auslage der ERT-Hydrogeophysik. C: Vorbereitung der Probenahme Feldexperiment G „Er- eignisBeprobung Untersuchungsgebiet Ergolz November 2015“.

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Der alte Ablauf wird nur noch gelegentlich zur Notentlastung verwendet. Oberstromig des untersuchten Flussabschnittes wird das Abwasser von 3 regionalen und ca. 10 kommunalen ARA sowie zahlreichen Klein-ARA in OW des Ergolz-Einzugsgebiet eingeleitet, insgesamt existieren 51 Mischwasser- überläufe (54 Mischwasserüberläufe bis zur Mündung in den Rhein).

Im Vergleich zu den untersuchten Flussabschnitten entlang der Birs und Frenke unterscheidet sich jener entlang der Ergolz dadurch, dass ausser bei sehr hohen GW-Ständen und grösseren HW das OW über weite Bereiche vom GW getrennt ist und die OW-Infiltration über die ungesättigte Zone statt- findet (Abb. 3.2 und Tab. 3.1).

3.3 U

NTERSUCHUNGSGEBIET

F

RENKE

Die Vordere Frenke entspringt westlich von Langenbruck auf 810 m ü.M. und entwässert das Walden- burgertal, die Hintere Frenke entspringt südlich von Reigoldswil auf 920 m ü.M. und durchfliesst das Tal von Reigoldswil. Nach 18.7 km mündet die Frenke bei Liestal in die Ergolz. Das Einzugsgebiet der Frenke beträgt 86 km². Im Untersuchungszeitraum von 2013 bis 2014 betrug der mittlere Abfluss der Frenke 1.3 m³s^-1 (Summe Vordere und Hintere Frenke bei Bubendorf; TBA B309 und B319). Im 20.

Jahrhundert wurde die Frenke kanalisiert und begradigt, wobei die Begradigung zu einer Verkürzung der Fliessstrecke und zu einer verstärkten Erosion der Flusssohle führte.

Der untersuchte Flussabschnitt entlang der Frenke (Abb. 3.1, 3.5) befindet sich nördlich der Gemeinde Bubendorf unmittelbar unterhalb des Zusammenflusses der Hinteren und der Vorderen Frenke. Im untersuchten Flussabschnitt verläuft das Frenketal von Bubendorf bis zur Mündung bei Liestal von Süd- in Nord-Richtung und wird im Westen und Osten durch Anstiege zum Tafeljura begrenzt. Die quartäre Talfüllung des Frenketals besteht hauptsächlich aus Frenkeschottern und weist hohe hydraulische Durchlässigkeiten auf. Die Basis des GW-Trägers bildet vor allem der verkarstungsfähige juras- sische Hauptrogenstein.

Im Bereich des Untersuchungsgebietes liegt das PW Unterbergen 33.A.2 der Gemeinde Bubendorf.

Durch die unmittelbare Nähe zur Frenke (lotrechter Abstand zum OW ca. 30 m) werden insbesondere bei HW mikrobiologische Belastungssituationen der Wasserfassung beobachtet. Die ARA Frenke 3 liegt nördlich des Untersuchungsgebietes, der Ablauf findet somit Unterstrom der PW statt und hat keinen Einfluss auf den untersuchten Flussabschnitt und das untersuchte GW-System. Oberstrom des untersuchten Flussabschnittes werden das Abwasser von einer regionalen und 5 kommunalen ARAs sowie von zahlreichen Klein-ARAs in die Vordere oder Hintere Frenke eingeleitet, insgesamt existieren 5 Mischwasserüberläufe.

Im Vergleich zu den untersuchten Flussabschnitten entlang der Birs und Ergolz unterscheidet sich jener entlang der Frenke dadurch, dass das GW auf Höhe des PW Unterbergen direkt an das OW angeschlossen ist; im südlichen und nördlichen Bereich des Untersuchungsgebietes hingegen findet die OW-Infiltration über die ungesättigte Zone statt (Abb. 3.2 und Tab. 3.1).

Abb. 3.5: A: Frenke mit Blick auf das PW 33.A.2 Unterbergen. B: Instrumentierung E+H-Messpannel im PW 33.A.2 Unterbergen. C: Landwirtschaftliche Nutzung im Untersuchungsgebiet und dem westlich angrenzenden Hang- Einzugsgebiet.

(17)

11

3.4 U

NTERSUCHUNGSKONZEPT

Um die quantitativen und qualitativen Auswirkungen der OW-GW Interaktionsprozesse auf flussnahe PW evaluieren zu können, wurde im Rahmen von TP2 das nachfolgend beschriebene Vorgehen ge- wählt. Ein erster Schritt umfasste die Ergänzung der GW- und OW-Messstellen und -Syteme für die untersuchten Flussabschnitte entlang der Ergolz und Frenke. Am untersuchten Flussabschnitt der Birs waren die Messsysteme bereits im Rahmen von verschiedenen Vorprojekten (siehe Tab. 2.2) vorhanden. In einem zweiten Schritt wurden Feldexperimente und Laboranalysen für unterschiedliche hydrologische Randbedingungen (NiedrigWasser(NW)-, MittelWasser(MW)- und HW-Stand) definiert. Ein dritter Schritt beinhaltet die zusammenhängende Interpretation der verschiedenen Untersuchungser- gebnisse im Kontext der lokalen und regionalen hydrogeologischen Randbedingungen und den Er- gebnissen der GW-Modellierung.

Übergeordnetes Ziel der Untersuchungen war es, die „intrinsischen“ Standortgegebenheiten der untersuchten GW-Körper zu analysieren (siehe oben), um diese von den verschiedenen anthropogenen Aktivitäten („extrinsischen“ Standortgegebenheiten) wie Landnutzung (Urbanisierung und Landwirt- schaft) sowie dem Einfluss von Einleitungen von ARA und der Siedlungsentwässerung, welche schliesslich zu der Belastung von OW- und GW-Systemen führen, trennen zu können. Die Resultate der verschiedenen Untersuchungen zeigen, welche der Untersuchungsergebnisse ortsspezifisch sind und welche verallgemeinerbar und ggf. auf Flussabschnitte mit ähnlichen Randbedingungen übertrag- bar sind (siehe Kapitel 6.5).

Abbildung 3.6 zeigt das Untersuchungskonzept für TP2. Tabelle B1.1 in Anhang B1 zeigt die verschiedenen Fragestellungen sowie die Voraussetzungen für die Beantwortung dieser Fragestellungen und die erwarteten Ergebnisse aus den jeweiligen Untersuchungsansätzen.

Die Schwerpunkte lagen grundsätzlich auf den folgenden Untersuchungen: (1) Hydrogeologie, einschliesslich Hydraulik und Hydrochemie; (2) Spurenstoffe; sowie (3) Mikrobiologie. Im Untersuchungs- gebiet Birs wurde der Schwerpunkt auf Untersuchungen zur Mikrobiologie gelegt. Im Untersuchungs- gebiet Ergolz lag der Schwerpunkt bei der Untersuchung von Spurenstoffen, da die PW Löli, welche ca. 1.5 km nördlich des untersuchten Flussabschnittes liegen und mikrobiologisch nicht vom Flussinfi- ltrat des untersuchten Abschnittes beeinträchtigt werden. Im Untersuchungsgebiet Frenke lag der Schwerpunkt der Untersuchungen sowohl bei der Mikrobiologie als auch bei den Spurenstoffen.

Der Schwerpunkt Hydrogeologie, einschliesslich Hydraulik und Hydrochemie, umfasste Untersuchun- gen für ein vertieftes Prozessverständnis der (1) Dynamik der OW- und GW Interaktion, (2) Fliess- zeitenverteilung von OW-Infiltrat und Mischung mit regionalen GW-Komponenten, (3) Variabilität von Zuströmbereichen und (4) Filterwirkung des Untergrundes zur Elimination von Mikroorganismen und Spurenstoffen bei der OW-Infiltration in den GW-Leiter. Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen sind Grundlage für eine Optimierung von Betrieb und Aufbereitung der Wasserversorgung und für die Gefährdungsabschätzung von Revitalisierungsmassnahmen.

Der Schwerpunkt Spurenstoffe umfasste Untersuchungen, welche es erlauben einen „Ist-Zustand⁵“ der OW- und GW-Systeme zu definieren, einschliesslich der Beschreibung von (1) Substanzspektren entlang von Fliesspfaden, (2) Mischungsprozessen, sowie (3) Abbauverhalten polarer organischer Mikroverunreinigungen. Auch diese Erkenntnisse sind Grundlage für eine Optimierung von Betrieb und Aufbereitung der Wasserversorgung. Für eine Einordnung und Gefährdungsabschätzung sollten weiterhin Indikatorsubstanzen für verschiedene Stoffeigenschaften und Belastungsquellen abgeleitet werden.

Der Schwerpunkt Mikrobiologie schliesslich, umfasste die Methodenentwicklung und den Einsatz von Online-Systemen und multivariaten Auswertmethoden als Grundlage für eine Optimierung von Betrieb

5 Der Ist-Zustand eines OW- und GW-Systems beschreibt entweder eine Momentaufnahme (z.B. als Resultat einer Stichtags- beprobung) oder bei vorhandenen Zeitreihen auch die Variabilität hydraulischer und/oder qualitativer Parameter als auch Resultate aus Modellen (GW-Fliessregime, etc.).

(18)

und Aufbereitung der Wasserversorgung, welche es ermöglichen Muster und Veränderungen von mikrobiologischen Belastungen zu erkennen. Für eine Gefährdungsabschätzung sollten weiterhin Proxies und Indikatoren für mikrobiologische Belastungen abgeleitet werden.

Zusammen mit Ergebnissen und Synergien aus externen Untersuchungen (Tab. 3.2) sollten unterschiedlich differenzierte Massnahmen und Untersuchungskonzepte für verschiedene Flussabschnitte abgeleitet werden, welche es erlauben Revitalisierungsmassnahmen sowie den Betrieb von flussnahen PW, einschliesslich der Aufbereitung des RW, zu optimieren. Auch wird aufgezeigt, welche der Resultate und Untersuchungsmethoden auf Gebiete mit vergleichbaren Randbedingungen übertrag- bar sind. Das Ziel von TP2 ist es auf Basis eines strukturierten Vorgehens aufzuzeigen, welche Grundlagen und welche gezielten Untersuchungen es erlauben den Aufwand für standortspezifische Abklärungen zu minimieren. Das Konzept zeigt auf, wie durch eine Kombination von Monitoring, Feldexperimenten, Laboranalysen sowie Modellierungsansätzen regionale und lokale Standortgege- benheiten evaluiert werden können. Auf dieser Grundlage können hydraulische Auswirkungen geplan- ter Revitalisierungen beurteilt und allfällig negative Auswirkungen von Revitalisierungen auf flussnahe PW beurteilt werden.

Um die Wirkung von verschiedenen TW-Aufbereitungsverfahren für die im Kanton BL vorhandenen, unterschiedlich mit Mikroorganismen oder Mikroverunreinigungen belasteten GW zu untersuchen, wurden zudem Experimente im Labormassstab durchgeführt. Diese erlaubten es die Effizienz von verschiedenen Verfahren bezogen auf die RW-Zusammensetzung abzuschätzen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind Entscheidungsgrundlage für die Planung von TW-Aufbereitungsverfahren in der Region Basel (Entfernung/Inaktivierung von Mikroorganismen und Spurenstoffen aus dem RW) und sind im WB TP4 dokumentiert.

Abb. 3.6: Teilbereiche und Vorgehen zum Untersuchungskonzept TP2 RWBL21 mit den Schwerpunkten Hyd- rogeologie (Hydraulik und Hydrochemie), Spurenstoffe sowie Mikrobiologie. In weisser Schrift sind das Vorgehen und die Untersuchungsansätze, in roter Schrift die übergeordneten Resultate hervorgehoben.

(19)

Methoden

13

4 M

ETHODEN

Tabelle 4.1 fasst nochmals die wesentlichen Fragestellungen zusammen und skizziert die konkrete Herangehensweise unter Anwendung der verschiedenen Untersuchungsmethoden, Feldexperimente und Laboranalysen sowie deren Auswertung.

In Kapitel 4.1 werden die teilweise bereits existierenden und die im Rahmen vom RWBL21 TP2 instal- lierten Messsysteme und in Kapitel 4.2 die durchgeführten Feldexperimente für die verschiedenen Untersuchungsgebiete beschrieben. In Kapitel 4.3 und 4.4 folgt eine Beschreibung der angewandten Methoden zur Erfassung der (1) mikrobiologischen Wasserqualität, einschliesslich der Ableitung der Filterleistung und der (2) chemischen Wasserqualität, einschliesslich der Hydrochemie allgemein und der Ableitung und Evaluation von Indikatorsubstanzen. Schliesslich werden in Kapitel 4.5 die hydro- geophysikalischen Untersuchungen und in Kapitel 4.6 das Aufsetzen der GW-Modelle für die drei Untersuchungsgebiete erläutert.

4.1 M

ESSSYSTEME UND

F

ELDINSTALLATIONEN

Im Rahmen von TP2 wurden in den drei Untersuchungsgebieten Birs, Ergolz und Frenke GW- und OW-Messsysteme eingerichtet, die es erlaubten, die Prozesse der OW-GW Interaktion quantitativ und qualitativ zu erfassen und in einem regionalen Kontext zu verstehen. Zusätzlich konnten bestehende kantonale GW-Messstellen instrumentiert und an allen Standorten, als Grundlage für die Ereignisbe- probung, Online-OW-Pegel eingerichtet werden. Am Standort A „Heidebrüggli“ (Messcontainer) an der Birs und im PW Unterbergen 33.A.2 an der Frenke wurden zudem Messpanels für die Online Mes- sung verschiedener Parameter (Tab. A1.1.1 und A1.3.1 im Anhang A) in Betrieb genommen.

Zusätzliche GW-Messstellen, errichtet mit der Direct-Push-Technologie (DPT, siehe u.a. (Dietrich and Leven, 2006; Leven et al., 2010), an den Standorten Ergolz und Frenke, erlaubten eine Verdichtung des vorhandenen kantonalen GW-Messstellen-Netzes. Der Ausbau der DPT-GW-Messstellen erfolgte einerseits mit 2 Zoll-Verrohrung als auch mit der Installation von Mehrkanal-GW-Messstellen vom Typ

„CMT“ – Continuous Multichannel Tubing - zur Erkennung der vertikalen Einmischung von OW in das GW. Die CMT-GW-Messstellen besitzen jeweils drei separate Kanäle mit einem Durchmesser von je 9 mm, sind in unterschiedlichen Tiefen verfiltert (Filterlänge 10 cm) und ermöglichen somit eine tiefendifferenzierte Beprobung des GW. Zudem wurden Bohrkerne gewonnen und beschrieben sowie Teilpro- ben zur Analyse des organischen Kohlenstoffgehalts der Sedimente entnommen (Anhang B). Alle Messsysteme (GW und OW) in den drei Untersuchungsgebieten Birs, Ergolz und Frenke wurden re- gelmässig ausgelesen und überprüft.

Tabellen A1.1.1, A1.2.1 und A1.3.1 im Anhang A fassen die in den Untersuchungsgebieten verwende- ten GW- und OW-Messsysteme zusammen, einschliesslich Standort, Messzeiträume, Messauflösung sowie wesentliche Datenlücken und Sondentyp. Alle erhobenen Daten sind beim AUE BL dokumentiert abgelegt.

(20)

Methoden 14 Tab. 4.1: Zusammenstellung der Fragestellungen TP2 gegliedert in die Themenbereiche A-D, Felduntersuchungen und Methoden sowie Auswertung.

Fragen Felduntersuchungen / Methoden Auswertungen

A Aquifereigenschaften

A1 Welche Rolle spielen die Aquifereigenschaften für den Transport von Spurenstoffen und Mikroorganismen?

Grundwassermessungen (Pegel, LF, pH, FNU, etc.), Messsysteme CMT, Grundwassermodellierung (Kalibrierung)

Fliessgeschwindigkeiten, Wasserbilanzen, Mischungsrechnungen, Durchlässigkeit, organisches Material, etc.

B Dynamik Zuströmbereiche / Fluss-GW-Interaktion

B1 Wie kann die Variabilität von Zuströmbereichen (Filterwege) und infiltrierenden Gewässerabschnitten beschrieben werden?

Fliessgeschwindigkeiten, Wasserbilanzen, Mischungsrechnungen, Durchlässigkeit, organisches Material, etc.

B2 Aus welchen Grundwasserkomponenten (Verweilzeiten Flusswasser / Randzuflüsse) setzt sich das Grundwasser an den verschiednen Beobachtungspunkten zusammen?

Mischungsrechnungen, Grundwasserkomponenten, Hydrochemie

B3 Wie kann die räumliche und zeitliche Dynamik der Fluss-Grundwasser- Interaktion für verschiedene Flussabschnitte erfasst werden?

Evaluation der räumlichen / zeitlich Instationarität Fliesszeitenverteilung und Zustrombereiche C Spurenstoffe / Mikroorganismen

C1 Welche Spurenstoffe sind bei den jeweiligen Standorten (Frenke, Ergolz, Birs) vorhanden?

Beprobung Trockenwettersituation, Messsysteme CMT, Spurenstoffe: LC-MS-MS GC-MS-Screening zur Evaluation eines möglichst breiten Spektrums an vorhandenen Spurenstoffen bei Trockenwetter und bei Hochwasser

C2 Gibt es Unterschiede im Spektrum der Spurenstoffe von Niedrigwasser- zu Hochwassersituationen?

Ereignisbeprobung mit eingeengter Stoffpalette, gleiche Methoden C1

C3 Welche Trinkwasseraufbereitungsverfahren sind geeignet, die Spurenstoffe (unter Berücksichtigung der vorhandenen Wasserzusammensetzung) zu entfernen?

Untersuchungen im Labormassstab, Abschätzungen aus der Literatur (Link TP4)

Vergleich der untersuchten Rohwässer bzgl.

notwendiger Aufbereitungsmassnahmen C4 Unterscheidet sich die Zusammensetzung und die Konzentration der

Mikroorganismen an den drei Untersuchungsstandorten (Frenke, Ergolz, Birs).

Ereignisbeprobung mit Flowzytometer und Plate Counts Zeitreihenanalysen, Mischungsrechnungen mit Wasserbilanzen aus Grundwassermodellierung D Hochwasserereignisse / Revitalisierungen

D1 Wie verändern Hochwasserereignisse resp. Revitalisierungen den Eintrag von Spurenstoffen und Mikroorganisme in den Aquifer?

Veränderung von Mischungsverhältnisse von verschiedenen Grundwasserkomponenten D2 Kann die Veränderung der Konzenration oder Zusammensetzung der

Spurenstoffen und Mikroorganismen im Grundwasser durch online messbare Parameter vorausgesagt werden?

Korrelation von Indikatorsubstanzen mit online messbaren Parametern

Grundwassermessungen (Pegel, LF, pH, FNU, etc.), Messsysteme CMT, Grundwassermodellierung (Kalibrierung)

Veränderungen von Substanzsprektren, Mischungsrechnungen mit Wasserbilanzen aus Grundwassermodellierung

Ereignisbeprobung, Analyse Spurenstoffe, Flowzytometer und Plate Counts

(21)

Methoden

15 4.1.1 UNTERSUCHUNGSGEBIET BIRS

Abbildung 4.6 zeigt die Standorte der verschiedenen Messsysteme im Untersuchungsgebiet Birs, einschliesslich der geologischen und hydrogeologischen Situation sowie einer schematischen Darstel- lung der Messtiefen für die drei GW-Messstellen-Cluster im Untersuchungsgebiet Birs.

Im Rahmen von zwei KTI-gestützten Projekten (PFIW-IW 8999.1 und 12611.2, Endress+Hauser und AUG Universität Basel) wurde auf Höhe des Heidebrügglis ein Messcontainer von 2008 bis 2015 be- trieben. Im Messcontainer (2 x 3 m) wurden Daten von drei verschiedenen Messsystemen aufge- zeichnet: a) die Messdaten vom Standort Birs Heidebrüggli, b) die in situ Daten der drei GW- Messstellen 24.J.21, 24.J.27 und 24.J.28, sowie c) die Daten von der im Container eingebauten Durchflussarmatur. Die Durchflussarmatur wurde von der eingebauten Steuerung geregelt, so dass die GW-Messstellen abwechselnd beprobt wurden. Im Viertelstundentakt wurde Grundwasser aus der jeweiligen GW-Messstelle angesaugt, in den dazwischen liegenden Zeiträumen wurde das Rohrsys- tem komplett entleert.

Um eine Vergleichbarkeit der verschiedenen Datenzeitreihen zu ermöglichen wurde für das Untersu- chungsgebiet Birs für alle Daten der Zeitraum vom 01.07.2013 bis zum 01.07.2015 gewählt (730 Ta- ge). Unter Berücksichtigung der verschiedenen Messsysteme waren für diesen Zeitraum die vollstän- digsten Datenreihen verfügbar. Abbildung 4.7 zeigt zusammenfassend die Statistik der gemessenen GW-Spiegel und GW-T im Vergleich zum OW-Pegel und der T der Birs für den Zeitraum vom 01.07.2013 bis 01.07.2015.

Abb. 4.6: Schematische Darstellung der verschiedenen Messstandorte, einschliesslich geologischer und hyd- rogeologischer Situation (blau: MW; hellblau: HW) sowie der Messtiefen für die drei GW-Messstellen-Cluster im Untersuchungsgebiet Birs. A: Geologie im Bereich des Untersuchungsgebietes Birs (verändert nach (LK1067- Arlesheim). B: Profilschnitt durch den GW-Körper und Standort A „Heidebrüggli“. C: Profilschnitt durch den GW- Körper und Standort B „Auwald“. D:Profilschnitt durch den mittleren Bereich des GW-Körpers. E: Längsprofil entlang der Birs und Aufteilung von Flussabschnitten; rote Kästen heben die Schwerpunktgebiete „Heidebrüggli“

und „Auwald“ hervor.

(22)

Methoden

Abb. 4.7: Statistik der gemessenen GW-Spiegel- und GW-T-Messungen im Vergleich zum OW-Pegel und der T der Birs für den Zeitraum vom 01.07.2013 bis 01.07.2015 (Standorte siehe Abb. 4.6).

Der Verlauf der GW-Spiegel der verschiedenen GW-Messstellen (Anhang A) zeigt unterschiedliche Ausprägungen in Abhängigkeit der einflussgebenden hydraulischen Randbedingungen, einschliesslich (a) regionaler Haupt-GW-Strom, (b) OW Birs und im Bereich der PW, (c) das Betriebsregime. So zeigen alle GW-Spiegel-Verläufe einen Zusammenhang mit HW und in Abhängigkeit des Standortes einen mehr oder weniger grossen Einfluss im Zusammenhang mit dem regionalen GW-Fliessregime aus dem Haupt-GW-Strom und dem Hang-Einzugsgebiet gegen Westen. Der Jahresgang der GW-T zeigt unterschiedliche Ausprägung in Abhängigkeit der einflussgebenden thermischen Randbedingun- gen, einschliesslich (a) regionaler Haupt-GW-Strom, (b) Atmosphäre und (c) OW Birs. So zeigen eini- ge GW-T-Verläufe einen direkten Zusammenhang mit dem Jahresverlauf der Luft-T, andere zeigen einen starken Einfluss im Zusammenhang mit der OW-T, v.a. auch während HW. Im Vergleich zum Verlauf der Luft-T stark retardierte Jahresgänge mit T-Maxima im Herbst und Frühling zeigen den unterschiedlich starken Einfluss des regionalen T-Regimes vom Haupt-GW-Strom und dem Hang- Einzugsgebiet gegen Westen. Der Verlauf der EL des GW in einigen der GW-Messstellen zeigt, dass während HW die EL des GW entweder direkt (flussnahe GW-Messstellen) oder retardiert (GW- Messstellen mit hohem regionalen GW-Anteil) abfällt. Bei einigen GW-Messstellen kann ein Jahres- gang beobachtet werden.

Die GW-Messstellen 24.A.4 (Abb. A1.1.4 im Anhang A), 24.A.7 (Abb. A1.1.10 im Anhang A), 24.C.17 (Abb. A1.1.5 im Anhang A), 24.J.6 (Abb. A1.1.6 im Anhang A), 24.J.11 (Abb. A1.1.11 im Anhang A) und 24.J.14 (Abb. A1.1.12 im Anhang A) im mittleren Bereich des Untersuchungsgebietes zeigen eine starke, unterschiedlich verzögerte, Reaktion auf HW in der Birs, wobei die Schwankung und Stan- dardabweichung der GW-Spiegel höher sind als diejenigen des Birs-OW-Pegel (Abb. 4.6 und Tab.

4.2). Das Maximum der GW-Spiegel ist ca. zwei Tage nach demjenigen in der Birs. Nach HW verbleibt der GW-Spiegel auf einem vergleichsweise hohen Niveau (Druckübertragung über regionalen Haupt-

(23)

Methoden

17 GW-Strom). Die GW-T dieser GW-Messstellen zeigen geringe Schwankungen und Standardabwei- chungen. Die im Vergleich zur mittleren Jahres-T der Luft erhöhten Werte der GW-T deuten auf urbanen Einfluss im Zuströmbereich hin (regionales T-Regime Haupt-GW-Strom). Die Messungen der EL des GW in der GW-Messstelle 24.C.12 (Abb. A1.1.12 im Anhang A) zeigt einen Jahresgang mit Mini- mum im Januar, von Frühling bis Herbst sind die Werte vergleichsweise hoch. Bei grösseren HW kann ein kurzfristiges Abfallen der EL des GW beobachtet werden (direkter Einfluss Birs, regional Haupt- GW-Strom und Hang-Einzugsgebiet).

Neben dem Betriebsregime des benachbarten PW 24.A.2 kann auch bei den GW-Spiegel-Messungen der in unmittelbarer Umgebung des PW gelegenen GW-Messstellen 24.J.22 (Abb. A1.1.7 im Anhang A), 24.J.23 (Abb. A1.1.8 im Anhang A) und 24.J.24 (Abb. A1.1.9 im Anhang A) eine sehr starke und direkte Reaktion auf HW in der Birs beobachtet werden, wobei die Schwankung und Standardabwei- chung der GW-Spiegel höher sind als diejenigen des Birs-OW-Pegel (Abb. 4.6 und Tab. 4.2). Nach HW verbleibt der GW-Spiegel auf einem vergleichsweise hohen Niveau (direkter hydraulischer Ein- fluss Birs und Druckübertragung über regionalen Haupt-GW-Strom). Der Verlauf der EL des GW in diesen GW-Messstellen zeigt, dass während grösserer HW die EL des GW stark verzögert abfällt.

Bei den flussnahen GW-Messstellen 24.J.20 (Abb. A1.1.13 im Anhang A), 24.J.21 (Abb. A1.1.16 im Anhang A), 24.J.25 (Abb. A1.1.14 im Anhang A), 24.J.26 (Abb. A1.1.15 im Anhang A), 24.J.27 (Abb.

A1.1.17 im Anhang A), 24.J.28 (Abb. A1.1.18 im Anhang A), 24.C.12 (Abb. A1.1.19 im Anhang A) kann eine sehr starke und direkte Reaktion auf HW in der Birs beobachtet werden, wobei die Schwan- kung und Standardabweichung der GW-Spiegel im Bereich derjenigen des Birs-OW-Pegel liegen (direkter hydraulischer Einfluss Birs und untergeordneter Einfluss der Druckübertragung über den regionalen Haupt-GW-Strom). Die GW-T dieser GW-Messstellen zeigen retardiert den Verlauf der OW-T.

Bei grösseren HW kann bei einigen GW-Messstellen ein kurzfristiges Abfallen der EL des GW beobachtet werden (direkter Einfluss Birs). Bei einigen GW-Messstellen kann ein Jahresgang der EL beobachtet werden.

Tab. 4.2: Statistik der Messsysteme im Untersuchungsgebiet Birs für den Zeitraum vom 01.07.2013 bis 01.07.2015 (Standorte siehe Abb. 4.6).

MIN [m ü.M.] MAX [m ü.M.] Differenz [m] MEAN [m ü.M.] STDV [m] MIN [°C] MAX [°C] Differenz [°C] MEAN [°C] STDV [°C] MIN [µS/cm] MAX [µS/cm] Differenz [µS/cm] MEAN [µS/cm] STDV [µS/cm]

Birs (BAFU 2106) 267.23 268.82 1.59 267.51 0.22 3.1 20.4 17.3 10.8 3.8 - - - - - 11.J.5 (regional) 280.05 283.62 3.57 281.50 1.11 11.8 12.2 0.4 12.1 0.1 - - - - - 24J.17 (Terrassenstufe) 277.80 278.22 0.42 277.93 0.09 13.2 13.6 0.4 13.3 0.1 - - - - -

24.A.4 274.98 277.10 2.12 275.95 0.36 12.0 12.2 0.1 12.1 0.0 - - - - -

24.C.17 276.11 278.30 2.19 277.16 0.37 11.8 12.3 0.5 12.0 0.1 - - - - -

24.J.6 276.40 278.62 2.22 277.47 0.48 11.6 12.0 0.4 11.7 0.1 - - - - -

24.J.22 (Cluster 24.A.2) 274.86 277.05 2.19 275.75 0.35 11.0 12.6 1.6 11.7 0.3 196 540 344 502 45 24.J.23 (Cluster 24A2) 274.79 276.72 1.93 275.74 0.34 11.0 17.7 6.8 11.7 0.3 396 588 192 516 24 24.J.24 (Cluster 24.A.2) 274.81 276.92 2.11 275.66 0.33 11.2 13.1 1.9 11.6 0.2 190 537 347 479 56

24.A.7 275.00 276.80 1.79 275.84 0.36 12.1 12.9 0.8 12.5 0.2 - - - - -

24.J.11 275.75 277.48 1.73 276.54 0.40 12.3 13.1 0.7 12.6 0.2 - - - - -

24.J.14 271.80 273.98 2.17 272.38 0.28 13.9 14.6 0.6 14.3 0.2 - - - - -

24.J.20 (Cluster Auwald) 274.95 276.64 1.70 275.76 0.28 8.4 14.1 5.7 11.5 1.2 435 668 233 551 54 24.J.25 (Cluster Auwald) 274.90 277.16 2.26 275.74 0.30 7.8 11.3 3.6 9.6 0.8 433 762 329 639 75 24.J.26 (Cluster Auwald) 275.16 276.78 1.62 275.76 0.26 4.8 17.2 12.4 11.0 3.5 259 783 524 548 89 24.J.21 (Cluster Heidebrüggli) 272.38 273.89 1.51 272.94 0.23 12.4 13.8 1.5 13.1 0.3 458 592 134 494 29 24.J.27 (Cluster Heidebrüggli) 272.58 274.15 1.57 273.13 0.23 12.3 13.8 1.5 13.0 0.3 494 562 68 524 18 24.J.28 (Cluster Heidebrüggli) 272.83 274.09 1.26 273.11 0.23 6.5 25.0 18.5 11.5 3.8 200 600 400 486 34 24.C.12 271.30 273.92 2.62 271.80 0.29 0.0 12.2 12.1 7.3 6.6 625 721 96 684 18

Hydraulik Temperatur elektrische

Leitfähigkeit

(24)

Methoden

Die GW-Messstelle 24.J.17 (Abb. A1.1.3 im Anhang A) befindet sich auf der Niederterrasse und nicht im modellierten Bereich des Untersuchungsgebietes. Die Daten ermöglichen aber eine Interpretation des Einflusses aus dem westlichen Einzugsgebiet. Die GW-Spiegel-Messungen zeigen auch eine Reaktion auf HW in der Birs, wobei die Schwankung und Standardabweichung der GW-Spiegel tiefer sind als diejenigen des Birs-OW-Pegel (Abb. A1.1.2 im Anhang A). Nach HW verbleibt der GW- Spiegel auf einem vergleichsweise hohen Niveau (Druckübertragung über regionalen Haupt-GW- Strom und dem Hang-Einzugsgebiet). Die GW-T dieser GW-Messstellen zeigen geringe Schwankun- gen und Standardabweichungen. Die im Vergleich zur mittleren Jahres-T der Luft erhöhten Werte der GW-T deuten auf urbanen Einfluss im Zuströmbereich hin (regionales T-Regime aus Haupt-GW-Strom und Hang-Einzugsgebiet).

4.1.2 UNTERSUCHUNGSGEBIET ERGOLZ

Abbildung 4.7 zeigt die Standorte der verschiedenen Messsysteme im Untersuchungsgebiet Ergolz, einschliesslich der geologischen und hydrogeologischen Situation.

Um eine Vergleichbarkeit der verschiedenen Datenzeitreihen zu ermöglichen, wurde für das Untersu- chungsgebiet Ergolz für alle Daten der Zeitraum vom 01.09.2013 bis zum 14.12.2015 gewählt (834 Tage). Unter Berücksichtigung der verschiedenen Messsysteme waren für diesen Zeitraum die voll- ständigsten Datenreihen verfügbar. Abbildung 4.8 und Tabelle 4.3 zeigen zusammenfassend die Sta- tistik der gemessenen GW-Spiegel- und GW-T-Messungen im Vergleich zum OW-Pegel und der T der Ergolz für den Zeitraum vom 01.09.2013 bis zum 14.12.2015.

Der Verlauf der GW-Spiegel der verschiedenen GW-Messstellen (Anhang A) und der Jahresgang der GW-T zeigt unterschiedliche Ausprägung in Abhängigkeit der einflussgebenden Randbedingungen, einschliesslich (a) regionaler Haupt-GW-Strom und (b) OW Ergolz. So zeigen alle GW-Spiegel- Verläufe einen Zusammenhang mit HW und in Abhängigkeit des Standortes, einen mehr oder weniger grossen Einfluss im Zusammenhang mit dem regionalen GW-Fliessregime aus dem Haupt-GW-Strom und dem Hang-Einzugsgebiet gegen Westen. T-Verläufe flussnaher GW-Messstellen zeigen einen starken Einfluss im Zusammenhang mit der OW-T, v.a. auch während HW. Im Vergleich zum Verlauf der Luft-T stark retardierte Jahresgänge mit T-Maxima im Herbst und Frühling zeigen den unterschiedlich starken Einfluss des regionalen T-Regimes vom Haupt-GW-Strom und dem Hang-Einzugsgebiet gegen Westen. Der Verlauf der EL des GW in einigen GW-Messstellen zeigt, dass während HW die EL des GW entweder direkt (flussnahe GW-Messstellen) oder retardiert (GW-Messstellen mit hohem regionalen GW-Anteil) abfällt.

Die GW-Messstellen 35.J.2 (Abb. A1.2.3 im Anhang A), 35.J.3 (Abb. A1.2.4 im Anhang A), 41.R.13 (Abb. A1.2.11 im Anhang A), 35.L.2 (Abb. A1.2.10 m Anhang A), 41.R.3 (Abb. A1.2.11 im Anhang A) und 41.J.1 (Abb. A1.2.12 im Anhang A) im mittleren Bereich des Untersuchungsgebietes zeigen alle eine starke, jedoch zeitlich unterschiedlich verzögerte Reaktion auf HW in der Ergolz. Das Maximum im GW-Spiegel ist zeitverzögert zu demjenigen in der Ergolz. Nach HW verbleibt der GW-Spiegel auf einem vergleichsweise hohen Niveau (Druckübertragung über regionalen Haupt-GW-Strom und Hang- Einzugsgebiet). Die GW-T dieser GW-Messstellen zeigen im Vergleich zur T der Ergolz geringe Schwankungen und Standardabweichungen. Die Temperaurschwankungen nehmen vom südlichen Zustrom des Untersuchungsgebietes zur Mitte zu, was auf den Einfluss der OW-Infiltration hindeutet.

Im Norden des Untersuchungsgebietes nehmen die T-Schwankungen wiederum leicht ab. Die im Ver- gleich zur mittleren Jahres-T der Luft erhöhten Werte der GW-T deuten auf urbanen Einfluss im Zu- strömbereich oder auf Einflüsse von Gebäudestrukturen in unmittelbarer Umgebung (GW-Messstelle 35.J.2, FUST) hin (regionales T-Regime Haupt-GW-Strom). Die Messungen der EL des GW in den GW-Messstellen 35.J.2 (Abb. A1.2.3 im Anhang A), 35.R.13 (Abb. A1.2.7 im Anhang A), 35.L.2 (Abb.

A1.2.10 im Anhang A), 41.R.3 (Abb. A1.2.11 im Anhang A) und 41.J.1 (Abb. A1.2.12 im Anhang A) zeigen, dass bei grösseren HW ein kurzfristiges Abfallen der EL des GW beobachtet werden kann (direkter Einfluss Ergolz und regionaler Haupt-GW-Strom sowie Hang-Einzugsgebiet).

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Methoden

19 Abb. 4.7: Schematische Darstellung der verschiedenen Messstandorte, einschliesslich geologischer und hyd- rogeologischer Situation im Untersuchungsgebiet Ergolz sowie von Gewässerabschnitten, welche während zwei Etappen revitalisiert wurden. A: Geologie (verändert nach (LK1068-Sissach) im Bereich des Untersuchungsgebie- tes Ergolz und GW-Gleichen bei MW (14.10.2015). B: Profilschnitt durch den GW-Körper. C: Profilschnitt entlang der Ergolz.

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Methoden

Abb. 4.8: Statistik der gemessenen GW-Spiegel-, GW-T- und GW-EL-Messungen im Vergleich zum OW-Pegel sowie der T und EL der Ergolz für den Zeitraum vom 01.09.2013 bis 14.12.2015 (Standorte siehe Abb. 4.7).

Bei den flussnahen GW-Messstellen 35.J.13 (Abb. A1.2.5 im Anhang A), 35.L.1 (Abb. A1.2.6 im An- hang A), 35.J.15 (Abb. A1.2.8 im Anhang A) und 35.J.14 (Abb. A1.2.9 im Anhang A) kann eine sehr starke und direkte Reaktion auf HW in der Ergolz beobachtet werden, wobei die Schwankung und Standardabweichung der GW-Spiegel ungefähr gleich hoch oder höher sind wie diejenigen des Er- golz-OW-Pegels (Abb. A1.2.2 im Anhang A; direkter hydraulischer Einfluss Ergolz). Die GW-T dieser GW-Messstellen zeigen, leicht retardiert, den Verlauf der OW-T. Bei grösseren HW kann bei diesen GW-Messstellen ein kurzfristiges Abfallen der EL des GW beobachtet werden (direkter Einfluss Er- golz).